Юрриан Тон Профессор экологической сигнализации растений, Университет Шеффилда

 

Это может звучать странно, но растения могут помнить стресс. Ученые до сих пор изучают, как растения делают это без мозга. Но поскольку изменение климата угрожает урожаю во всем мире, понимание памяти растений о стрессе может помочь продовольственным культурам стать более устойчивыми.

 

С момента колонизации земли 500 миллионов лет назад растения развили способы защиты от вредителей и болезней. Одна из их самых удивительных способностей — «запоминать» стрессовые состояния и использовать эту память для самозащиты.

 

Это явление, называемое иммунным праймингом, похоже на то, как вакцины помогают людям вырабатывать иммунитет, но основано на других механизмах.

Так как же у них это происходит без мозга?

 

Многие люди думают о растениях как о красивой зелени. Необходим для чистого воздуха, да, но для простых организмов. Шаг вперед в исследованиях меняет представление ученых о растениях: они гораздо сложнее и больше похожи на нас, чем вы можете себе представить. Эта цветущая область науки слишком восхитительна, чтобы отдать ей должное в одном-двух рассказах.

Эта история является частью серии «Любопытное растение», посвященной научным исследованиям, которые бросают вызов вашему взгляду на растительную жизнь.

Растения генетически устойчивы к подавляющему большинству потенциально вредных микробов. Тем не менее, небольшое количество микробов развило способность подавлять врожденный иммунитет, что позволяет им заражать организмы и вызывать болезни.

 

Вот почему позвоночные, в том числе и человек, развили мобильную иммунную систему, которая опирается на В- и Т-клетки памяти. Эти клетки памяти активируются при воздействии болезни или прививках, что помогает нам стать более устойчивыми к рецидивирующим инфекциям.

 

У растений нет специализированных клеток для приобретения иммунной памяти. Вместо этого у них происходят так называемые «эпигенетические» изменения в своих клетках для хранения информации о прошлых атаках и активации своей врожденной иммунной системы. После подготовки растения могут лучше противостоять вредителям и болезням, даже если они изначально были генетически восприимчивы.

 

Исследования, проведенные за последние 10-15 лет, показали, что повторное и длительное воздействие вредителей или болезней может вызвать долгосрочные эпигенетические изменения в ДНК растений без изменения основной последовательности ДНК. Это позволяет растениям оставаться в подготовленном защитном состоянии.

 

Сообщалось об иммунопрайминге у различных видов растений, начиная от короткоживущих однолетних, таких как кресс-салат Arabidopsis thaliana, который живет несколько недель, до долгоживущих видов деревьев, таких как ель обыкновенная, которая может жить до 400 лет.

 

Однако иммунный прайминг дорого обходится растению, например, замедляет рост. Таким образом, заряженная память обратима и уменьшается в течение более длительных периодов времени без стресса.

 

Однако, в зависимости от силы стрессового стимула, прайминг может быть пожизненным и даже передаваться следующим поколениям. Чем сильнее стресс, тем дольше растения запоминают.

 

Растения постоянно изменяют активность своих генов, чтобы развиваться и приспосабливаться к окружающей среде. Гены могут отключаться в течение длительных периодов времени из-за эпигенетических изменений.

 

У растений эти изменения чаще всего происходят в транспозонах (также известных как «прыгающие гены») — участках ДНК, которые могут перемещаться в пределах генома. Транспозоны обычно неактивны, потому что они могут вызывать мутации. Но стресс изменяет эпигенетическую активность в клетках растений, что может частично их «разбудить».

 

Растения могут передавать воспоминания о стрессе из поколения в поколение.boommavel/Shutterstock

.Это способствует созданию и поддержанию длительной памяти у растений.

 

У растений, которые еще не испытывали стресса, защитные гены в основном неактивны, чтобы предотвратить ненужную и дорогостоящую иммунную активность. Длительные эпигенетические изменения транспозонов после выздоровления от болезни могут подготовить защитные гены к более быстрой и сильной активации при повторном стрессе.

 

Хотя ученые до сих пор выясняют, как именно это работает, ясно, что эпигенетические изменения в этих прыгающих генах играют важную роль в оказании помощи растениям в адаптации к угрозам.

Растения полагаются не только на внутреннюю эпигенетическую память, чтобы повысить свою устойчивость к вредителям и болезням. Они также могут использовать окружающую среду для хранения памяти о стрессе.

 

Подвергаясь атаке, растения выделяют химические вещества из своих корней, привлекая полезные микробы, которые могут подавлять болезни. Если это кондиционирование почвы достаточно сильное, оно может оставить долгосрочное «наследие почвы», которое может принести пользу растениям следующего поколения.

 

После того, как почва кондиционирована, эти полезные микробы остаются рядом с корнями растений, чтобы помочь растению бороться с болезнями.

 

У некоторых видов растений, таких как кукуруза, ученые идентифицировали вторичные метаболиты, управляющие этой внешней памятью о стрессе. Это специализированные метаболиты, которые не являются необходимыми для первичного метаболизма клетки. Они часто играют роль в защите или других формах сигнализации окружающей среды, таких как привлечение полезных микробов или насекомых.

 

Некоторые гены, контролирующие эти химические вещества корня, регулируются эпигенетическими механизмами, чувствительными к стрессу. Это указывает на то, что механизмы, управляющие внутренней и внешней памятью предприятия, взаимосвязаны.

 

Понимание того, как растения хранят и используют память о стрессе, может произвести революцию в защите сельскохозяйственных культур. Использование естественной способности растений справляться с вредителями и болезнями может помочь нам снизить зависимость от химических пестицидов и создать культуры, которые лучше справляются с экологическими стрессами.

 

Поскольку мы сталкиваемся с растущими проблемами, связанными с антропогенным изменением климата и растущим спросом на продовольствие, это исследование может предложить многообещающие инструменты для разработки более устойчивых схем защиты растений.

Источник